智能純凈水流量計的功能概況及硬件與程序設計
點(diǎn)擊次數：2683 發(fā)布時(shí)間：2021-09-08 01:52:44
摘要：純凈水流量計廣泛應用于流量測量領(lǐng)域，本文針對純凈水流量計的特點(diǎn)設計了一種基于DSP智能純凈水流量計，它能夠實(shí)時(shí)采集脈沖信號，并顯示在液晶顯示屏上，同時(shí)還能通過(guò)RS485通信將數據遠傳至上位機。智能純凈水流量計內置儀表系數修正算法，能夠消除流變化導致儀表系數變化而產(chǎn)生的誤差。
純凈水流量計廣泛用于流量測量領(lǐng)域，具有安裝簡(jiǎn)便、精度較高、能夠直接進(jìn)行脈沖輸出等特點(diǎn)，目前廣泛應用于工業(yè)及民用的流量計量等裝置中。由于純凈水流量計能夠直接輸出脈沖，且純凈水流量計的儀表系數會(huì )隨流速的變化而變化，易于使智能儀表對其脈沖流量信號進(jìn)行現場(chǎng)處理，如果智能儀表不能實(shí)時(shí)對儀表系數進(jìn)行修正，則需要對純凈水流量計進(jìn)行標定，否則將產(chǎn)生較大測量誤差。
1純凈水流量計功能概況
純凈水流量計屬于速度式流量測量計，其工作原理是在流體管道內安裝渦輪，利用流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的推力使渦輪葉片轉動(dòng)，渦輪的轉速和流體的流速將成正比例關(guān)系，同時(shí)，安裝在計量?jì)x表殼體的電磁感應接收器實(shí)時(shí)接收由葉輪轉動(dòng)引起的磁場(chǎng)變化而產(chǎn)生的脈沖，智能儀表收集到脈沖之后進(jìn)行濾波放大，即可通過(guò)簡(jiǎn)單的比例關(guān)系計算出管道的實(shí)時(shí)流量。純凈水流量計其內部機械機構見(jiàn)圖1。
智能儀表以DSP為處理器，它采集到渦輪流量傳感器傳送的脈沖信號后通過(guò)濾波放大后在處理器內進(jìn)行運算，并將運算結果顯示在液晶屏上，同時(shí)還能夠通過(guò)RS485通信向上位機遠傳流量信息。圖2為渦輪流量智能儀表的內部功能模塊結構圖。
2智能純凈水流量計的硬件設計
2.1渦輪脈沖輸入調理電路
由于渦輪流量傳感器產(chǎn)生的電脈沖信號有一定的噪聲信號，并且電壓只有幾十毫伏，所以在將信號輸入到DSP處理器之前進(jìn)行濾波、整形和放大。*82頁(yè)圖3為渦輪脈沖輸入調理電路。
2.2液晶顯示
液晶選擇12864點(diǎn)陣式液晶，它能夠動(dòng)態(tài)顯示各種圖形、漢字以及各種符號信息，為各種電子產(chǎn)品提供了友好的人機界面，點(diǎn)陣式圖形液晶顯示屏具有工作電壓低、功耗低、可視面積大、體積小、無(wú)電磁干擾、數字接口、使用壽命長(cháng)等特點(diǎn)。圖4為液晶顯示電路原理圖。
2.3RS485通信
RS485接口組成半雙工網(wǎng)絡(luò )，選擇兩線(xiàn)制與上位機電腦相連，采用屏蔽雙絞線(xiàn)傳輸。通信系統整體為總線(xiàn)式結構，這樣1臺上位機*多可以和現場(chǎng)32臺智能儀表相連。采用MAX485芯片完成電壓轉換，圖5為RS485通信電路原理圖。
2.4DSP微處理器
TMS320F28335具有150MHz高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，6個(gè)直接內存存取通道，支持EMIF，McBSP和ADC，配備總計18路PWM波輸出端口，其中有6路為專(zhuān)用超高精度的PWM輸出，12位16通道模擬數字轉換單元。由于TMS320F28335具備浮點(diǎn)運算單元，用戶(hù)可快速編寫(xiě)控制算法而無(wú)需在處理小數操作上耗費過(guò)多時(shí)間和精力，與其他DSP相比，整體性能提高了一倍，并與定點(diǎn)C28x控制器軟件兼容，從而簡(jiǎn)化了軟件開(kāi)發(fā)，縮短了開(kāi)發(fā)周期，降低了開(kāi)發(fā)成本。
3智能純凈水流量計的程序設計
3.1微處理器功能程序設計
上電后程序對DSP的硬件資源進(jìn)行初始化，包括中斷系統、GPIO口、定時(shí)器/計數器、通信端口及基本的時(shí)鐘設置。程序每秒對接收到的脈沖進(jìn)行計數，其除以?xún)x表系數后的結果作為瞬時(shí)流量，同時(shí)在時(shí)間上對瞬時(shí)流量進(jìn)行累積，計算出兩種流量后，將其實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示屏上，同時(shí)將數據保存，**等待上位機電腦對數據的讀取。通信采用MODBUS協(xié)議，波特率為9600b/s，無(wú)校驗，8位數據位，1位停止位。圖6為微處理器功能設計流程圖。
3.2流速修正算法
純凈水流量計中流速對儀表系數有著(zhù)很大的影響，這部分誤差會(huì )*大影響*終計量的精確度，傳統的做法是當流速發(fā)生較大的持續變化時(shí)，需對純凈水流量計進(jìn)行重新標定。針對這個(gè)問(wèn)題，在不同流速下，測量了純凈水流量計的儀表系數（見(jiàn)表1）。
繼續增大流量，儀表系數基本保持不變，故對0.4～1L/s內的數據進(jìn)行參數擬合，得到擬合函數
Y=5+52.16X+16.9X2-116.22X3+83.34X4.（1）
其中自變量為流量，因變量為儀表系數。當流量介于0.4～1L/s時(shí)，采用式（1）進(jìn)行計算；當流量超過(guò)1.1L/s時(shí)，保持儀表系數恒為69.9。
4結論
筆者設計一種基于DSP的智能純凈水流量計，它能夠將渦輪流量傳感器的脈沖信號經(jīng)過(guò)調理電路輸入到微處理器中，并在現場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示經(jīng)過(guò)系統修正的瞬時(shí)流量和累積流量，同時(shí)還可以將數據遠傳至上位機。此智能純凈水流量計功能強大，測量精度高，有廣闊的應用前景。
純凈水流量計廣泛用于流量測量領(lǐng)域，具有安裝簡(jiǎn)便、精度較高、能夠直接進(jìn)行脈沖輸出等特點(diǎn)，目前廣泛應用于工業(yè)及民用的流量計量等裝置中。由于純凈水流量計能夠直接輸出脈沖，且純凈水流量計的儀表系數會(huì )隨流速的變化而變化，易于使智能儀表對其脈沖流量信號進(jìn)行現場(chǎng)處理，如果智能儀表不能實(shí)時(shí)對儀表系數進(jìn)行修正，則需要對純凈水流量計進(jìn)行標定，否則將產(chǎn)生較大測量誤差。
1純凈水流量計功能概況
純凈水流量計屬于速度式流量測量計，其工作原理是在流體管道內安裝渦輪，利用流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的推力使渦輪葉片轉動(dòng)，渦輪的轉速和流體的流速將成正比例關(guān)系，同時(shí)，安裝在計量?jì)x表殼體的電磁感應接收器實(shí)時(shí)接收由葉輪轉動(dòng)引起的磁場(chǎng)變化而產(chǎn)生的脈沖，智能儀表收集到脈沖之后進(jìn)行濾波放大，即可通過(guò)簡(jiǎn)單的比例關(guān)系計算出管道的實(shí)時(shí)流量。純凈水流量計其內部機械機構見(jiàn)圖1。
智能儀表以DSP為處理器，它采集到渦輪流量傳感器傳送的脈沖信號后通過(guò)濾波放大后在處理器內進(jìn)行運算，并將運算結果顯示在液晶屏上，同時(shí)還能夠通過(guò)RS485通信向上位機遠傳流量信息。圖2為渦輪流量智能儀表的內部功能模塊結構圖。
2智能純凈水流量計的硬件設計
2.1渦輪脈沖輸入調理電路
由于渦輪流量傳感器產(chǎn)生的電脈沖信號有一定的噪聲信號，并且電壓只有幾十毫伏，所以在將信號輸入到DSP處理器之前進(jìn)行濾波、整形和放大。*82頁(yè)圖3為渦輪脈沖輸入調理電路。
2.2液晶顯示
液晶選擇12864點(diǎn)陣式液晶，它能夠動(dòng)態(tài)顯示各種圖形、漢字以及各種符號信息，為各種電子產(chǎn)品提供了友好的人機界面，點(diǎn)陣式圖形液晶顯示屏具有工作電壓低、功耗低、可視面積大、體積小、無(wú)電磁干擾、數字接口、使用壽命長(cháng)等特點(diǎn)。圖4為液晶顯示電路原理圖。
2.3RS485通信
RS485接口組成半雙工網(wǎng)絡(luò )，選擇兩線(xiàn)制與上位機電腦相連，采用屏蔽雙絞線(xiàn)傳輸。通信系統整體為總線(xiàn)式結構，這樣1臺上位機*多可以和現場(chǎng)32臺智能儀表相連。采用MAX485芯片完成電壓轉換，圖5為RS485通信電路原理圖。
2.4DSP微處理器
TMS320F28335具有150MHz高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，6個(gè)直接內存存取通道，支持EMIF，McBSP和ADC，配備總計18路PWM波輸出端口，其中有6路為專(zhuān)用超高精度的PWM輸出，12位16通道模擬數字轉換單元。由于TMS320F28335具備浮點(diǎn)運算單元，用戶(hù)可快速編寫(xiě)控制算法而無(wú)需在處理小數操作上耗費過(guò)多時(shí)間和精力，與其他DSP相比，整體性能提高了一倍，并與定點(diǎn)C28x控制器軟件兼容，從而簡(jiǎn)化了軟件開(kāi)發(fā)，縮短了開(kāi)發(fā)周期，降低了開(kāi)發(fā)成本。
3智能純凈水流量計的程序設計
3.1微處理器功能程序設計
上電后程序對DSP的硬件資源進(jìn)行初始化，包括中斷系統、GPIO口、定時(shí)器/計數器、通信端口及基本的時(shí)鐘設置。程序每秒對接收到的脈沖進(jìn)行計數，其除以?xún)x表系數后的結果作為瞬時(shí)流量，同時(shí)在時(shí)間上對瞬時(shí)流量進(jìn)行累積，計算出兩種流量后，將其實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示屏上，同時(shí)將數據保存，**等待上位機電腦對數據的讀取。通信采用MODBUS協(xié)議，波特率為9600b/s，無(wú)校驗，8位數據位，1位停止位。圖6為微處理器功能設計流程圖。
3.2流速修正算法
純凈水流量計中流速對儀表系數有著(zhù)很大的影響，這部分誤差會(huì )*大影響*終計量的精確度，傳統的做法是當流速發(fā)生較大的持續變化時(shí)，需對純凈水流量計進(jìn)行重新標定。針對這個(gè)問(wèn)題，在不同流速下，測量了純凈水流量計的儀表系數（見(jiàn)表1）。
繼續增大流量，儀表系數基本保持不變，故對0.4～1L/s內的數據進(jìn)行參數擬合，得到擬合函數
Y=5+52.16X+16.9X2-116.22X3+83.34X4.（1）
其中自變量為流量，因變量為儀表系數。當流量介于0.4～1L/s時(shí)，采用式（1）進(jìn)行計算；當流量超過(guò)1.1L/s時(shí)，保持儀表系數恒為69.9。
4結論
筆者設計一種基于DSP的智能純凈水流量計，它能夠將渦輪流量傳感器的脈沖信號經(jīng)過(guò)調理電路輸入到微處理器中，并在現場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示經(jīng)過(guò)系統修正的瞬時(shí)流量和累積流量，同時(shí)還可以將數據遠傳至上位機。此智能純凈水流量計功能強大，測量精度高，有廣闊的應用前景。